ARM处理器就是典型的RISC架构

    RISC（精简指令集计算机）与CISC（复杂指令集计算机）两大架构设计哲学的争斗已经成为大家耳熟能详的历史，但是RISC的由来，在学术界和工业界以外却很少见到有人提及。本文基于伯克利RISC项目领导者之一David Patterson的口述自传，以及ACM数据库的公开文献整理，向大家介绍RISC从发明到广为流传的那段故事。


三十年前的论战
    “我们认为，基于RISC理念设计的处理器只有在极少数情况下慢于CISC处理器……过多的指令使得CISC处理器的控制逻辑复杂……研发成本上升……编译器也不知道该如何利用这么复杂的指令集……CISC的设计思路应当反思。”—— RISC的早期倡导者之一，David Patterson


    “RISC与CISC的区别缺乏明确定义，而且RISC缺乏有力实验证明其宣称的优势，仅停留在纸面的设计是不够的，我们在VAX架构的设计中发现很多与RISC理念相反的地方……实验数据证明RISC的出发点有误……”—— VAX CISC架构的设计者代表，Douglas W. Clark和William D. Strecker.


    很难相信，观点如此背道而驰的两篇文章，竟然同时刊登在美国计算机学会旗下的同一期《计算机体系结构通讯》杂志上。但事实上，正是论战双方的私下联络以及杂志编辑的有意安排，使得这场1980年的论战得以见报，于是留下了可供后人追溯的足够史料。
　　ACM数据库收录的影印文档中保留下的点点墨迹，似乎象征着这场论战中四溅的火星。在1980年前后，几乎所有的新处理器设计都在按照CISC的路线发展，不断加入新的指令，使用微码控制，试图在指令集架构层面对高层编程语言提供更直接的支持，这种发展路线使得硬件研发成本提高，研发周期变长，编译器也不知道该如何利用越来越复杂的指令集。
　　来自IBM研究院的John Cocke首先意识到，更加精简清爽的指令集设计将有助于减少硬件开发难度和成本，同时也有利于编译器进行代码优化工作，于是在他领导下的IBM 801项目第一次对RISC的概念进行了实践。随后加州大学伯克利分校，斯坦福大学的几位科学家也逐渐认清CISC的弱点，开始反其道而行之，着手进行新的设计。那时刚刚博士毕业四年，在伯克利任教的年轻老师David Patterson就是其中一员，他决定在研究生课程中检验自己的想法，让学生们试着构建一个指令精简化的微处理器作为大作业。在微处理器流片成功之前，David就撰写了文章发表，描述自己构建处理器的新方法，认为这种精简设计将降低了硬件设计成本，缩短了开发周期，且方便编译器进行代码生成，达到了更高的性能，结果引起争论和质疑，于是有了这场载入体系结构发展史的论战。




David Patterson，已从当年不敢向伯克利申请职位的小老师，变成计算机体系结构领域的宗师级人物


反败为胜

　　当时站在David对立面的人包括当时深受尊敬的VAX CISC架构设计者Douglas W. Clark和William D. Strecker，David在文章中多次转述VAX的工程经验，试图证明RISC的优势，但VAX架构设计者们的现身说法使得局面对David非常不利，他们以自己的第一手数据将David文章中宣称的RISC优势逐一驳倒，更加雪上加霜的是，第一组学生们流片回来的处理器，并未能体现出具备说服力的速度优势，于是进一步引发了嘲笑。所幸第二组学生进行的设计较为成功，于是David和学生们的成果得以登陆1983年国际固态电子电路大会（ISSCC）进行展示，这个会议只接受流片成功的芯片设计投稿，因此门槛较高，同时也因为成果卓越，受到学术界和工业界的广泛关注，是集成电路领域的顶级学术会议。

 

　　David在这里打了一个漂亮的翻身仗，尽管制造工艺是老旧的MOSIS，主频比Intel同期制造的处理器80286慢上几乎一半，晶体管数量也只有其三分之一，但是更加清爽的新式设计在编译器等其他工具的辅助下竟然成功将Intel踩在脚下！ISSCC大会现场所有的大牌人物都目睹了这一历史性时刻，业界哗然。RISC提倡简化指令集设计，固定指令长度，统一指令编码格式，加速常用指令，在当时来看与当时占据主流的CISC哲学颇有些背道而驰的意味，RISC和David Patterson早年受到质疑和攻击也就不难理解。但有了流片成功的芯片与性能测试结果在手，加之1983年的ISSCC大会上聚集了几位与David Patterson观点相同的支持者，RISC流派已经开始占据上风。



当时流行的VAX计算机


 
风靡业界
    出于兼容性的考虑，David和学生们设计的芯片从未流入商业市场售卖，但是在David等人的推动和宣传下，这一设计理念随后如星火燎原般扩散，一大批公司开始采用这种理念设计新处理器，包括后来几近统一武林的Intel。而当初提倡RISC的先行者们也纷纷功成名就，John Cocke在1987年将计算机科学领域的最高奖项“图灵奖”收入囊中，而David Patterson在芯片设计与计算机体系结构领域也已经与“泰山北斗”划上等号。
　　RISC的设计理念催生的一系列新架构中包含了许多我们耳熟能详的名字，包括学术上认为比较成功的DEC Alpha，后来写入经典教科书的MIPS，以线程级并行度绕过指令级并行度障碍的SUN SPARC，以及现在统治嵌入式市场的ARM。这些雨后春笋般涌现的RISC处理器将CISC vs RISC的世纪之战推向更高潮，精简指令集和复杂指令级划分为两个阵营，争论不断。以x86为代表的复杂指令集，其指令编码格式混乱，导致编码器复杂，流水线设计较为困难，指令不定长也带来指令对齐方面的额外挑战。而RISC指令集的编码格式相对整洁，流水线设计容易，但是由于指令定长，导致一些比较大的常数\地址必须拆散才能加载，代码密度不够高，某些情况下会浪费指令缓存的容量和带宽，因此两种指令集都不是不败金身，本质上都属于双刃剑。
　　在计算机体系结构还不是完全成熟的时候，RISC的速度优势看上去更加具有吸引力，连Intel都举棋不定，只得两条腿走路，在继续更新CISC产品线的同时，也推出了i860系列RISC处理器，安迪·格鲁夫当时表示，CISC处理器是Intel一直在做的产品线，兼容所有软件，而RISC处理器速度更快，但没有什么软件能在它上面运行。连Intel都不知道未来发展方向会是在RISC还是CISC，只好两头下注。在风头最劲的时候，RISC处理器一度占据在服务器市场占据统治地位。当时的争论与工业实践中提炼出的RISC优势，直到现在仍被许多人谈论，但是，历史的进步无情地碾碎了这一切。


融为一炉
    强大的Intel在90年代中期的P6架构里开始引入乱序多发射技术，这帮助Intel第一次在服务器市场上拿出了性能上可以与RISC比肩的处理器，并且第一次实现了CISC指令集在解码阶段上向RISC类指令的转化，将后端流水线转换成类RISC的形式，弥补了CISC流水线实现上的劣势。许多人认为这是Intel在向RISC指令集学习，是在事实上宣布了RISC的胜利，可是ARM也于同期引入了代码密度更高的Thumb新指令集，力图提高指令缓存等劣势项目上的效率，这表明RISC也在向CISC取经，双方都在相互取长补短。而RISC风格的设计的确能输出速度优势，这在一部分人心目中催生了错误的RISC优越论。实质上随着体系结构和微电子技术的进步，CISC在架构上的所谓劣势逐渐缩小，乃至消失，而RISC阵营却在Intel的猛攻下节节败退，时至今日，Intel的服务器CPU占据了95%的市场份额，RISC的优越论也逐渐偃旗息鼓。


P6架构中，Intel第一次引入RISC风格的流水线


　　今年的国际高性能计算机体系结构大会上，来自美国威斯康辛大学的一个研究小组做了一个测量分析报告，根据他们披露的测试数据，CISC与RISC在指令集架构层面上的差异已经较小，由先进的微架构和物理设计、工艺实现带来的改进足以掩盖指令集架构层面的劣势，CISC vs RISC的世纪之战实际上没有胜负，双方的精华已经融为一炉。结果这个报告受到一些学者的批评，有意思的是，批评的原因并不是在于报告本身结论错误，而是因为这个报告所得出的结论，其实是大家早都已经认可的共识，没有必要再在大会上宣读！
    如何评价一个架构设计理念是好是坏呢？笔者认为，应当是后人们看来理所当然的 —— “为什么不这样做呢？还好当初没有放弃这条路！”今天我们谈到RISC留下的遗产时，已经很难找到负面评价的理由，RISC不再是缺乏支持的异类，而是现代计算机体系结构的基本组成部分之一，没有人再对RISC存在的必要性提出怀疑，这大概就是对它最好的认可。